기초과학

고체물리연구소, 물전기분해용 저원가 고활성 이중기능 촉매 개발

발행일 : 2019 / 06 / 06

최근 중국과학원 허페이물질과학연구원 고체물리연구소 리웨(李越) 연구팀은 계층적 헤테로구조 Ni3Se4@NiFe 하이드로탈사이트(hydrotalcite) 나노시트 제조 및 완전가수분해 연구에서 새 성과를 거두었다. 해당 성과는 “나노세계”에 게재되었다. 해당 연구는 저원가 고활성 이중기능 물전기분해 촉매 개발에 효과적인 설계 아이디어를 제공했다.

물전기분해 규모화 응용의 핵심은 양극 산소발생반응(OER) 및 음극 수소발생반응(HER)의 과전위를 낮추어 저전위 조건에서 대전류 수소생성을 달성함과 아울러 전력소비 및 수소생산원가를 절감하는 것이다. 기존의 연구에 의하면 Ru, Ir, Pt 등 귀금속 및 그 산화물은 가장 우수한 수소발생 촉매성능을 보유하지만 비싼 가격 및 자원 결핍으로 인해 해당 재료의 광범위한 응용을 제한한다. 따라서 저가의 고효율 비귀금속 물전기분해 촉매 개발은 매우 중요한 과학적 의미와 실용적 가치가 있다.

기존의 촉매는 일반적으로 한 가지 반응(OER 또는 HER)에만 높은 촉매활성을 나타내기에 물전기분해 반응은 두 가지 서로 다른 유형의 촉매를 필요로 한다. 이는 물전기분해 설비의 복잡화와 운영비용 증가를 초래한다. 만약 서로 다른 기능의 촉매를 1개 계층구조의 헤테로구조 나노재료에 조립해 이중기능 완전가수분해 촉매를 구축한다면 상기 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

연구팀은 간단한 2단계 수열합성법을 통해 수소발생성능을 보유한 Ni3Se4 나노시트와 산소발생성능을 보유한 NiFe를 계층적 구조를 보유한 이질적 완전 가수분해 촉매로 조립했다. 해당 촉매는 안정적인 계층적 구조 및 촉매 간 전자상호작용으로 인해 우수한 완전가수분해 활성을 보유한다. 또한 완전가수분해 전류밀도가 10mA/cm2일 경우 소요전압은 1.54V 밖에 안 되며 연속 100시간 작동 후에도 뚜렷하게 감쇠되지 않는 등 양호한 안정성을 입증했다.